1 引言
隨著工廠生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高，交流調(diào)速應(yīng)用越來越廣泛，而在造紙、紡織、軋鋼等行業(yè)大量使用多電機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)。同步傳動(dòng)控制要求首先解決單電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制問題，尤其是高速造紙機(jī)除了要解決因高速運(yùn)行而引起的機(jī)械共振外，還要求解決電氣控制上的間題．這些系統(tǒng)要求對數(shù)據(jù)傳送速率高、輸人信號響應(yīng)快、跟蹤誤差小、升降速平穩(wěn)、無超調(diào)（或小超調(diào)）、穩(wěn)態(tài)精度高。由于異步電動(dòng)機(jī)具有參數(shù)時(shí)變、嚴(yán)重非線性特性、強(qiáng)藕合性等不確定因素，精確模型難以建立，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型也不易于工程實(shí)現(xiàn)，變頻器要建模也非易事。模糊控制有效地解決了建模困的問題，使系統(tǒng)具有解耦能力，并且能抑制各種非線性因素對系統(tǒng)的影響，具有強(qiáng)魯棒性，因此本文選用模糊控制，并采取了相應(yīng)措施提高了控制精度。
傳統(tǒng)的PLC 主要用于開關(guān)量控制，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法。本文在硬件上采用奧地利貝加萊公司的可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC（Programmable Computer Controller) B&R 2005 , B&R 2005面向工業(yè)應(yīng)用，具有強(qiáng)抗干擾能力；模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有很好的開放性，節(jié)省了硬件元器件和電路，降低了成本，增強(qiáng)了可靠性；B&R 2005 帶操作系統(tǒng)，可以用C 和Basic 等高級語言編程，可以實(shí)現(xiàn)模糊控制等復(fù)雜算法；其操作系統(tǒng)的分時(shí)多任務(wù)處理方式讓控制系統(tǒng)具有了很好的實(shí)時(shí)性；可以通過現(xiàn)場總線PROFIBUS 、CAN 和以太網(wǎng)通信，通信速率高。本文給出的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明所采用控制方式能達(dá)到滿意的效果，為高速造紙機(jī)傳動(dòng)控制提供了實(shí)現(xiàn)方法。
2 模糊控制思路
根據(jù)工程實(shí)際，采用如圖1 所示的模糊控制系統(tǒng)框圖。模糊控制能克服傳統(tǒng)PID 控制超調(diào)量大的間題，但是普通的模糊控制存在穩(wěn)態(tài)精度差和穩(wěn)態(tài)顫振問題。因此，本文采用雙模模糊控制，并加人PI 環(huán)節(jié)，這樣施加在被控對象上的控制量u 具有非線勝PID 控制律，提高了穩(wěn)態(tài)精度，有效抑制了顫振現(xiàn)象。
圖1 模糊控制系統(tǒng)示意圖
3 硬件構(gòu)成
異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2 所示。主控制器采用貝加萊公司的可編程計(jì)算機(jī)控制器B&R 2005 ，它將工業(yè)控制機(jī)（IPC ）及計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS ）以及可編程邏輯控制器（PLC ）融合在一起，主要應(yīng)用于復(fù)雜程度較高的控制對象和過程控制系統(tǒng)。B&R 2005 軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，具有系統(tǒng)的高速響應(yīng)，實(shí)時(shí)性好。更突出的是它帶操作系統(tǒng)，可用Basic 和C 等高級語言編程，可以勝任模糊控制算法的編程。它的配置采用12 槽的底板3BP151.41 ，電源模塊PS794 , CPU 模塊CP260 ，并行處理器模塊IF671 ，計(jì)數(shù)模塊NC150。 IF671 提供了485 接口，用于控制變頻器；NC150 提供兩路光電編碼器輸人，接電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號。
圖2 轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)硬件方框圖
Fig.2 Hardware configuration of the speed fuzzy control system
變頻器采用Slemens 的Micr．ｍａｓｔｅｒ6SE3115，功率為2.2kW 。電機(jī)采用YVP 90S-4 型三相異步交流電動(dòng)機(jī)，功率為1.1 kW ，額定電流3A ，電壓380v , 額定轉(zhuǎn)矩7N•m 。另外采用KZQ 一II 型磁滯測功機(jī)控制器，它提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩，能及時(shí)檢測和顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率和效率，并提供數(shù)據(jù)打印功能和帶有接口可以通過計(jì)算機(jī)的串行口與計(jì)算機(jī)通訊。測速采用每轉(zhuǎn)600 個(gè)脈沖的增量式光電編碼器。
4 模糊控制器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)
4 . 1 語言變量、語言值和論域的選擇
模糊控制器的輸人語言變量選為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n和給定轉(zhuǎn)速ng之間的誤差。e﹦n一ng及其變化率e ，而其輸出語言變量可選為控制變頻器的給定轉(zhuǎn)速u。這樣就為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)確定了一個(gè)雙輸人單輸出的模糊控制器。
輸人語言變量誤差E 、誤差變化EC 以及輸出語言變量U 的論域均選為｛﹣6 ,﹣5 ，...，﹣1 , 0 , 1 ，...，5 , 6 }。要提高基本模糊控制器的精度和跟蹤性能，就必須對語言變量取更多的語言值，即分檔越細(xì)，性能越好，但同時(shí)規(guī)則數(shù)和系統(tǒng)的計(jì)算量也大大增加，影響調(diào)試和控制的實(shí)時(shí)性[1] 。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中必須選擇一個(gè)合適的分檔次數(shù)，使得控制系統(tǒng)既能滿足控制精度要求和實(shí)時(shí)性要求，又能易于工程實(shí)現(xiàn)。鑒于此，此處E , EC 和U 的語言值均選為PB , PM , PS , ZE , NS , NM , NB 。
4 . 2 語言變量E 、EC和U 的賦值表的建立
語言變量的模糊子集的隸屬度函數(shù)u（x ）究竟選用哪一種好，目前沒有統(tǒng)一的理論依據(jù)。在工程應(yīng)用的實(shí)際中，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際控制要求確定模糊隸屬度函數(shù)。一般情況下，高斯模糊隸屬度函數(shù)的正態(tài)分布特性能滿足大部分工程的精度要求和控制性能，所以采用高斯模糊隸屬度函數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
選定隸屬度函數(shù)拜u（x ）的類型之后還得注意它的形狀。隸屬度函數(shù)的形狀對控制效果影響很大，如圖3 所示，圖中窄型隸屬函數(shù) 反映模糊集合 具有高分辨率特性，控制的靈敏度高；寬型隸屬函數(shù) 反映模糊集合 具有低分辨率，控制的靈敏度低。一般在系統(tǒng)誤差較大的范圍內(nèi)，采用低分辨率隸屬函數(shù)，而在系統(tǒng)誤差較小時(shí)，采用具有高分辨率隸屬函數(shù)。確定隸屬函數(shù)后并根據(jù)操作者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)修正可得列表格所示的語言變量的賦值表。表1~3 所示的分別是語言變量E , EC 和U 的賦值表。
圖3 隸屬度函數(shù)圖
Fig.3 The membership functions
表1 語言變量E 的賦值表
Table 1 The value of language variable E
表2 語言變量EC的賦值表
Table 2 The value of language variable EC
4 . 3 建立模糊控制規(guī)律表
將操作者在控制過程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)建立模糊控制規(guī)則。通過總結(jié)操作者手動(dòng)控制策略，可建立變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則的模糊狀態(tài)表，見表4 所示。
表4 模糊控制規(guī)則表
Table 4 rules of fuzzy logic controller
